于興晗，侯煜，郭易，蓋優(yōu)普

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

二維碼與APP+WiFi的水情設(shè)備巡檢應(yīng)用研究

于興晗，侯煜，郭易，蓋優(yōu)普

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備的發(fā)展普及，二維碼應(yīng)用出現(xiàn)了爆發(fā)式的增長(zhǎng)。本文介紹了一種利用二維碼信息處理技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化水情設(shè)備巡檢工作流程的解決方案。通過(guò)本文實(shí)現(xiàn)的APP解決了在設(shè)備巡檢過(guò)程中，攜帶紙筆不方便、現(xiàn)場(chǎng)記錄困難等問(wèn)題。

二維碼；APP；巡檢；水情設(shè)備

引 言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備的發(fā)展普及，二維碼應(yīng)用出現(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)。利用二維碼自身的優(yōu)勢(shì)(入口多、可追溯、成本低、精準(zhǔn)、信息容量大，使用方便等)結(jié)合云平臺(tái)及智能手機(jī)APP開發(fā)技術(shù)，可以開發(fā)出一套簡(jiǎn)捷、高效、精細(xì)的巡檢報(bào)告自動(dòng)生成解決方案，解決上述問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 二維碼簡(jiǎn)介

二維碼是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面(二維方向上)分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息的，在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”、“1”比特流的概念，使用若干個(gè)與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的幾何形體來(lái)表示文字?jǐn)?shù)值信息，通過(guò)圖象輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀以實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)處理。它具有條碼技術(shù)的一些共性：每種碼制有其特定的字符集；每個(gè)字符占有一定的寬度；具有一定的校驗(yàn)功能等，同時(shí)還具有對(duì)不同行的信息自動(dòng)識(shí)別功能及處理圖形旋轉(zhuǎn)變化點(diǎn)。

二維碼主要特點(diǎn)有：

① 高密度編碼，信息容量大：可容納多達(dá)1850個(gè)大寫字母或2 710個(gè)數(shù)字，或1108個(gè)字節(jié)，或500多個(gè)漢字，比普通條碼信息容量高約幾十倍。

② 編碼范圍廣：可以把圖片、聲音、文字、簽字、指紋等可以數(shù)字化的信息進(jìn)行編碼，用條碼表示出來(lái)，可以表示多種語(yǔ)言文字，可表示圖像數(shù)據(jù)。

③ 容錯(cuò)能力強(qiáng)，具有糾錯(cuò)功能，這使得二維條碼因穿孔、污損等引起局部損壞時(shí)，照樣可以正確得到識(shí)讀，損毀面積達(dá)50%仍可恢復(fù)信息。

④ 譯碼可靠性高，比普通條碼譯碼錯(cuò)誤率百萬(wàn)分之二要低得多，誤碼率不超過(guò)千萬(wàn)分之一。

⑤ 可引入加密措施，保密性、防偽性好。

⑥ 成本低，易制作，持久耐用。

⑦ 條碼符號(hào)形狀、尺寸、大小比例可變。

⑧ 二維條碼可以使用激光或CCD閱讀器識(shí)讀。

1.2 引入方案

將二維碼信息技術(shù)引入水情設(shè)備巡檢報(bào)告系統(tǒng)，需要解決3個(gè)主要問(wèn)題:① 二維碼如何識(shí)別，識(shí)別的信息如何處理(包括信息展示、存儲(chǔ)、分享和備份等);② 如何與水情設(shè)備交換信息，報(bào)告系統(tǒng)如何與巡檢設(shè)備建立連接，采樣何種通信方式等;③ 二維碼如何生成，包括如何對(duì)存儲(chǔ)信息進(jìn)行編碼，如何對(duì)編碼內(nèi)容進(jìn)行壓縮，減少二維碼信息量，以提高二維碼掃描效率。

圖1 系統(tǒng)連接示意圖

結(jié)合上述問(wèn)題，本文引入了智能手機(jī)APP+WiFi配件的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)智能手機(jī)APP來(lái)處理二維碼信息(包括識(shí)別和生成)，通過(guò)WiFi配件與水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的遙測(cè)站進(jìn)行信息交換。整個(gè)系統(tǒng)連接示意圖如圖1所示。智能手機(jī)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的核心硬件，利用智能手機(jī)的強(qiáng)大處理能力來(lái)對(duì)二維碼信息進(jìn)行處理，并增加二維碼信息處理的手段，如信息的分享、壓縮以及二維碼信息的識(shí)別等。WiFi配件是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，只有通過(guò)WiFi配件才能使水情設(shè)備和智能手機(jī)建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)信息交互。

圖3 WiFi配件原理框圖

1.3 工作流程

采用第1.2節(jié)所述的設(shè)計(jì)方案，水情設(shè)備巡檢工作流程如圖2所示，可以看出，整個(gè)巡檢的大部分工作均可以使用APP來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)工作過(guò)程只需要將WiFi配件接入系統(tǒng)，打開APP記錄即可，不需要攜帶紙筆和工具箱等繁重的工具，進(jìn)一步減輕了巡檢工作人員的工作量，提高了工作效率。

圖2 工作流程圖

1.4 WiFi配件原理框圖

由圖1可以看出，WiFi配件是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵硬件，是智能手機(jī)和水情設(shè)備進(jìn)行信息交互的橋梁，WiFi配件性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的效率。WiFi配件原理框圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

本文所設(shè)計(jì)的WiFi配件主要配合本院的水情測(cè)報(bào)產(chǎn)品并考慮同行業(yè)相同產(chǎn)品的兼容性，同時(shí)減少了WiFi配件的體積，提高了WiFi配件的便攜性，WiFi配件采用自定義的DB9接口與遙測(cè)站的串口相連，配件電源也由DB9接口引入，為了提高配件的適用性，還另外提供了單獨(dú)的電源輸入口，可以使用外部單獨(dú)的電源模塊供電，電壓范圍為4～12 V。另外，配件使用PCB天線代替外接天線更進(jìn)一步減小了WiFi配件的尺寸。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 二維碼識(shí)別

二維碼識(shí)別技術(shù)依閱讀原理的不同可分為：

① 線性CCD和線性圖像式閱讀器(Linear Imager),這種方式可閱讀一維條碼和線性堆疊式二維碼(如PDF417)，在閱讀二維碼時(shí)需要沿條碼的垂直方向掃過(guò)整個(gè)條碼，稱為“掃動(dòng)式閱讀”;

② 帶光柵的激光閱讀器,可閱讀一維條碼和線性堆疊式二維碼,閱讀二維碼時(shí)將光線對(duì)準(zhǔn)條碼，由光柵元件完成垂直掃描，不需要手工掃動(dòng);

③ 圖像式閱讀器(Image Reader),采用面陣CCD攝像方式將條碼圖像攝取后進(jìn)行分析和解碼，可閱讀一維條碼和所有類型的二維條碼。

本文提到的設(shè)計(jì)方案中，使用圖像式閱讀器。

2.2 自定制GIS系統(tǒng)

一般在水情設(shè)備巡檢報(bào)告中，需要提供詳細(xì)的地理信息(如經(jīng)緯度、海拔以及安裝地點(diǎn)的地區(qū)編碼信息等)，這些地理信息，在一般的地圖應(yīng)用中是不提供的，需要專門的APP應(yīng)用來(lái)測(cè)量，再由巡檢工作人員用筆記錄在紙質(zhì)報(bào)告中。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化巡檢工作人員的工作流程，提高巡檢工作效率，本文在設(shè)計(jì)APP時(shí)，引入了自定制GIS系統(tǒng)，使用專用的地圖API開發(fā)出用于提供設(shè)備所處位置地理信息的GIS系統(tǒng)，為智能手機(jī)APP生成報(bào)告時(shí)自動(dòng)填充水情設(shè)備位置的地理信息。

同時(shí)，為了提高自定制GIS系統(tǒng)的適用性，本文在設(shè)計(jì)APP時(shí)，還提供了專門的定位頁(yè)面，用于用戶自己查詢?cè)O(shè)備所處位置的地理信息，以便用于其他領(lǐng)域。

2.3 自定制報(bào)表系統(tǒng)

針對(duì)不同的用戶群，使用的報(bào)表選項(xiàng)可能不同，為了滿足大部分的客戶要求，本文設(shè)計(jì)了兩種可自定制報(bào)表的方式。

① 選項(xiàng)方式:報(bào)表的所有選項(xiàng)都是可選項(xiàng)，不需要的選項(xiàng)可以通過(guò)不勾選或者點(diǎn)擊左滑菜單的“刪除”按鈕刪除該項(xiàng)；點(diǎn)擊左滑菜單的“增加”按鈕可以增加新的同級(jí)選項(xiàng)，即報(bào)告的標(biāo)題列或者是內(nèi)容列；點(diǎn)擊左滑菜單的“分享”按鈕,即可以調(diào)用智能手機(jī)上所有可以應(yīng)用的手段來(lái)處理報(bào)告選項(xiàng)，增強(qiáng)了報(bào)告選項(xiàng)的可操作性。

② 模板:報(bào)表的選項(xiàng)可以使用用戶提供的模板來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶通過(guò)分享頁(yè)面導(dǎo)入自己定義的報(bào)告模板文件，智能手機(jī)APP即會(huì)將報(bào)告模板的內(nèi)容以鍵值對(duì)的形式展開，用戶可以根據(jù)自己的要求再次定制，勾選選項(xiàng)或者使用選項(xiàng)的左滑菜單。

2.4 手寫簽名系統(tǒng)

針對(duì)不同的需求，有些巡檢報(bào)告可能需要巡檢工作人員自己手寫簽名；為了滿足這一需求，在設(shè)計(jì)APP時(shí)，增加了手寫簽名系統(tǒng)，用戶可以在手機(jī)屏幕上通過(guò)手寫自己簽名添加到報(bào)告中，完成報(bào)表。

同時(shí)，為了增加APP的應(yīng)用領(lǐng)域，本文在設(shè)計(jì)APP時(shí)，增加了單獨(dú)的手寫簽名頁(yè)面，通過(guò)此頁(yè)面，巡檢工作人員可以將自己的手寫簽名存成位圖或者SVG矢量圖，位圖背景可以選擇為白底或者透明，以便在其他系統(tǒng)中使用。

2.5 Material Design

Material Design中文名為質(zhì)感設(shè)計(jì)，是由Google推出的設(shè)計(jì)語(yǔ)言，這種設(shè)計(jì)語(yǔ)言旨在為手機(jī)、平板電腦、臺(tái)式機(jī)和其他平臺(tái)提供更一致、更廣泛的外觀和感覺(jué)。 Material Design語(yǔ)言的一些重要功能包括系統(tǒng)字體Roboto的升級(jí)版本，同時(shí)顏色更鮮艷，動(dòng)畫效果更突出。谷歌的想法是讓谷歌平臺(tái)上的開發(fā)者掌握這個(gè)新框架，從而所有應(yīng)用就有統(tǒng)一的外觀，就好像是蘋果向開發(fā)者提出的設(shè)計(jì)原則一樣。谷歌還基于這種新的設(shè)計(jì)語(yǔ)言對(duì)本公司旗艦應(yīng)用進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，包括安卓和網(wǎng)頁(yè)端的Gmail和Calendar。

3 實(shí) 現(xiàn)

3.1 Navigation Drawer

APP的主界面如圖4所示，使用Material Design設(shè)計(jì)風(fēng)格，菜單采用的是主流的Navigation Drawer，為了提高用戶的體驗(yàn)，菜單的滑出還采用了滑屏和按鍵兩種觸發(fā)方式，(a)為快速導(dǎo)航菜單，(b)為系統(tǒng)快捷操作菜單。

圖4 APP主界面

3.2 信息窗體

信息窗體主要功能是監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)監(jiān)控設(shè)備串口輸出數(shù)據(jù)流來(lái)判斷水情設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為了減輕水情設(shè)備的工作負(fù)擔(dān)，可以在遙測(cè)設(shè)備處于空閑狀態(tài)時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。為了增加用戶體驗(yàn)和后續(xù)美化擴(kuò)展，在實(shí)現(xiàn)上采用了列表形式，每個(gè)列表元素都采用了標(biāo)題+卡片的表現(xiàn)形式，通過(guò)卡片增加了信息的可讀性和展示的美觀性，有利于后續(xù)的功能擴(kuò)展，如長(zhǎng)按可以將卡片信息分享給其他APP，針對(duì)每個(gè)卡片進(jìn)行單獨(dú)處理等。同時(shí)信息窗體還增加了瀑布流的動(dòng)畫效果，窗體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 信息窗體設(shè)計(jì)

窗體的所有信息都可以通過(guò)右側(cè)快捷操作中的“存儲(chǔ)信息選項(xiàng)”存成信息文件，再通過(guò)分享頁(yè)面將文件共享，供其他遠(yuǎn)端用戶處理。

3.3 二維碼識(shí)別

在實(shí)際應(yīng)用中，巡檢人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，先將WiFi配件插入待檢設(shè)備串口，啟動(dòng)右側(cè)菜單“掃一掃”選項(xiàng)，如圖6所示。將二維碼定位到方框內(nèi)即可非常迅速地將二維碼信息解析出來(lái)，此時(shí)通過(guò)左側(cè)導(dǎo)航菜單切換到參數(shù)設(shè)置頁(yè)面，就可以查看設(shè)備的設(shè)置參數(shù)值，通過(guò)參數(shù)設(shè)置頁(yè)面對(duì)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行查詢、修改或者存儲(chǔ)。

點(diǎn)擊右側(cè)快捷操作菜單的“生成二維碼”選項(xiàng)，則可以將設(shè)備維護(hù)信息生成二維碼，界面如圖6右側(cè)所示，點(diǎn)擊“存儲(chǔ)”按鈕，即可將生成的二維碼存儲(chǔ)成位圖，將存儲(chǔ)的位圖打印出來(lái)，或者制成印刷品，貼在機(jī)箱外面，供巡檢工作人員掃描時(shí)使用。點(diǎn)擊“解析位圖”選項(xiàng)，可以解析以位圖存在的二維碼。

圖6 二維碼掃描

圖7 參數(shù)窗體設(shè)計(jì)

在遙測(cè)站中，有100多個(gè)參數(shù)需要設(shè)置、查詢和管理，在手機(jī)APP UI設(shè)計(jì)中，如何合理使用手機(jī)有限的顯示區(qū)域，又使用戶快速定位參數(shù)，是此窗體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在本設(shè)計(jì)中，采用了分頁(yè)面管理的方式，將100多個(gè)參數(shù)共分成12頁(yè)，每頁(yè)的參數(shù)又采用具有瀑布流動(dòng)畫效果的表格來(lái)展示，每個(gè)參數(shù)都是采用卡片的形式展示，頁(yè)面之間切換可以采用滑屏和具有動(dòng)畫效果的底部列表選擇兩種方式，使用戶可以快速定位到自己關(guān)心的參數(shù)，從而完成設(shè)置。為了減少界面元素，窗體還采用了下拉刷新的功能來(lái)查詢參數(shù)。窗體實(shí)現(xiàn)如圖7所示。點(diǎn)擊右側(cè)菜單的備份選項(xiàng)，可以將最后得到的參數(shù)信息存儲(chǔ)成配置文件，再通過(guò)分享頁(yè)面與其他設(shè)備共享。

3.4 自定制GIS系統(tǒng)

圖8 GIS系統(tǒng)

點(diǎn)擊左側(cè)快速導(dǎo)航菜單的“定位”選項(xiàng)，啟動(dòng)定位窗口，顯示地圖信息如圖8所示。在實(shí)際工作中，可以在巡檢工作掃碼之前啟動(dòng)，也可以在生成報(bào)表之前啟動(dòng)，得到的地理信息將存儲(chǔ)在智能手機(jī)里，在生成報(bào)告時(shí)自動(dòng)加載?！癈LEAR”按鈕清除標(biāo)記，“RESET”按鈕重新定位并顯示標(biāo)記標(biāo)識(shí)，點(diǎn)擊則顯示相關(guān)的地理信息。

3.5 報(bào)表系統(tǒng)

報(bào)表系統(tǒng)是此APP的核心功能，可以自動(dòng)生成excel格式的報(bào)表；對(duì)于報(bào)告的使用選項(xiàng)，點(diǎn)擊、勾選選項(xiàng)即可自動(dòng)生成相應(yīng)內(nèi)容；直接點(diǎn)擊修改內(nèi)容即可啟動(dòng)輸入軟鍵盤，通過(guò)軟鍵盤直接可以進(jìn)行修改，如圖9所示。

同時(shí)，報(bào)表系統(tǒng)列表選項(xiàng)的最后有手寫簽名選項(xiàng)，選中該項(xiàng)，彈出手寫界面如圖10所示，點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕即可將手寫簽名加入報(bào)告，點(diǎn)擊“取消”按鈕則使用鍵盤輸入簽名。

點(diǎn)擊列表最后的“保存”按扭，可以生成報(bào)告；點(diǎn)擊“模板”按扭，將生成報(bào)告模板，可以在分享頁(yè)面中加載使用。

在屏幕上沿著“選項(xiàng)”或者“內(nèi)容”向左滑動(dòng)，啟動(dòng)左滑菜單如圖9右側(cè)所示，“增加”按鈕增加同級(jí)內(nèi)容，標(biāo)題可自定義；“分享”可以利用智能手機(jī)分享功能增加報(bào)告選項(xiàng)內(nèi)容的分享手段；點(diǎn)擊“刪除”按鈕，可以刪除自身。

3.6 分 享

此頁(yè)面可以將APP生成的各種信息和文件與其他系統(tǒng)或者APP共享，從而實(shí)現(xiàn)信息共享、多用戶的協(xié)作和信息的遠(yuǎn)程處理。分享頁(yè)面設(shè)計(jì)如圖11所示。

點(diǎn)擊“分享”按鈕，彈出分享選項(xiàng)如圖11右側(cè)所示，智能手機(jī)所支持的分享功能均可以使用，增加了用戶的信息共享手段；“加載”按鈕功能，可以使配置文件和模板文件實(shí)現(xiàn)共享及內(nèi)容同步；“制碼”按鈕可以生成同步二維碼，使得用戶可以通過(guò)二維碼掃描功能來(lái)進(jìn)行內(nèi)容同步；“刪除”按鈕可以刪除文件。

圖9 報(bào)表選項(xiàng)

圖10 手寫簽名

圖11 分享頁(yè)面

3.7 其他窗體

在本系統(tǒng)中，為處理水情設(shè)備的其他問(wèn)題，包括設(shè)備檢修、功能測(cè)試和傳感器管理及測(cè)試等，在APP中還增加了其他的導(dǎo)航頁(yè)面和快捷操作，如導(dǎo)航菜單的“測(cè)試”選項(xiàng)，快捷操作菜單的“換膚”選項(xiàng)等，簡(jiǎn)潔主題界面如圖12右側(cè)所示。

在遙測(cè)站中，需要測(cè)試的人工設(shè)置的參數(shù)多達(dá)60個(gè)左右，采用的設(shè)計(jì)思路和方式同參數(shù)窗體設(shè)計(jì)類似，選用具有瀑布流動(dòng)畫效果的底部列表形式，每個(gè)項(xiàng)目都可以單獨(dú)點(diǎn)擊，單獨(dú)響應(yīng)，彈出相應(yīng)的對(duì)話框,如圖12所示。

結(jié) 語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案，不僅將二維碼信息處理技術(shù)引入了水情設(shè)備檢測(cè)領(lǐng)域，簡(jiǎn)化了水情設(shè)備巡檢工作的流程，而且，二維碼識(shí)別技術(shù)的加入使得巡檢工作人員的工作模式發(fā)生了質(zhì)變，工作效率獲得極大提高。通過(guò)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)自動(dòng)生成的報(bào)告如圖13所示。

圖12 其他窗體

圖13 生成的巡檢報(bào)告

[1] 軟件開發(fā)技術(shù)聯(lián)盟.Android開發(fā)實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.

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于興晗(高級(jí)工程師)，目前已獲實(shí)用新型專利1項(xiàng)、發(fā)明專利2項(xiàng),出版專著一部。

Hydrological Equipment Inspection Research Based on QR Code and APP+WiFi

Yu Xinghan,Hou Yu,Guo Yi,Gai Youpu

(China Institute of Water Resource and Hydropower Research,Beijing 100038,China)

As the mobile and smart device development and popularization of the Internet,QR applications have been explosive growth using QR code information processing technology is introduced to simplify the solution of hydrological equipment inspection processes. In the course of inspection,the APP solves the problems such as carrying pen and paper is not convenient,on-site recording difficulties and so on.

QR code;APP;inspection;hydrological equipment

TP319

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2017-01-10)